Pomiar ciśnienia fal uderzeniowych w eksperymentach laserowego umacniania udarowego

Antoni SARZYŃSKI, JAN MARCZAK, MAREK STRZELEC Pomiar ciśnienia fal uderzeniowych w eksperymentach laserowego umacniania udarowego wprowadzenie Rozwój techniki laserowej spowodował wzrost zastosowań promieniowania laserowego do obróbki materiałów. Promieniowanie laserowe wykorzystywane jest do wielu celów m.in.: szkliwienia, przetapiania, stopowania (domieszkowania powierzchniowego), platerowania, czyszczenia itp. [1]. W inżynierii materiałowej promieniowanie laserowe jest wykorzystywane najczęściej do powierzchniowej obróbki cieplnej. Istnieje także metoda wykorzystująca laserowo wzbudzane fale uderzeniowe do powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno. Nosi ona nazwę laserowe umacnianie udarowe (ang. Laser Shock Peening albo Laser Shot Peening w skrócie LSP [2 7]). Metoda umożliwia nawet dziesięciokrotne zwiększenie odporności zmęczeniowej części metalowych, np. tytanowych łopatek turbin silników lotniczych. Jest droga i ma niską wydajność, ale mimo to jest już wykorzystywana na skalę przemysłową. W wielu ośrodkach naukowych prowadzone są intensywne prace badawcze zmierzające do zwiększenia jej efektywności i wydajności [2 7]. Optymalizacja metody wymaga m.in. pomiaru ciśnienia fali uderzeniowej. Do detekcji tych fal stosuje się m.in. czujniki piezoelektryczne wykonane z polimeru PVDF [8 13]. Obszar aktywny tych czujników może mieć niewielkie wymiary, 1 1 mm 2, dzięki czemu nadają się one do detekcji fal wzbudzanych przez impulsy laserowe o małej energii. Pomiar ciśnienia fali uderzeniowej został szerzej opisany we wcześniejszych pracach [14, 15]. Badana próbka powinna być dostatecznie cienka, by nie nastąpiło zbyt silne stłumienie fali. Czujnik musi się stykać bezpośrednio z ośrodkiem, w którym propaguje się fala. Prędkość dźwięku oraz gęstość materiału próbki i czujnika na ogół są różne, a to powoduje zakłócenie propagacji badanej fali. Czujnik wskazuje ciśnienie fali występującej w jego wnętrzu, które ma na ogół inną wartość niż ciśnienie fali w badanej próbce. W pracy podjęto próbę wyjaśnienia związku między wynikiem pomiaru a wartością ciśnienia fali uderzeniowej w badanej próbce. LASEROWE UMACNIANIE UDAROWE W procesie powierzchniowej obróbki cieplnej energia promieniowania laserowego służy do podgrzania lub przetopienia cienkiej warstwy na powierzchni próbki w celu zainicjowania przemian chemicznych lub/i fazowych, powodujących zmianę właściwości warstwy wierzchniej. Objętość przetopionego materiału jest bardzo mała, dzięki czemu następujące potem chłodzenie i krzepnięcie przebiega niezwykle szybko. W trakcie tradycyjnego hartowania szybkość chłodzenia może osiągać wartości w zakresie 10 3 10 4 K/s [16], natomiast podczas obróbki laserowej może ona osiągać nawet Dr inż. Antoni Sarzyński (asarzynski@wat.edu.pl), dr hab. inż. Jan Marczak, dr inż. Marek Strzelec Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna 10 10 K/s [17]. Przy takiej szybkości chłodzenia można wytwarzać unikatowe stany materii, nieosiągalne innymi metodami, np. szkła metaliczne. Do obróbki cieplnej najczęściej stosuje się lasery ciągłego działania. Typowym przykładem może być laser CO 2 o mocy 1 10 kw. W procesie powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno za pomocą promieniowania laserowego jedynym czynnikiem zmieniającym stan warstwy wierzchniej powinna być fala uderzeniowa, a przyrost temperatury powinien być ograniczony do wartości wynikającej z praw termodynamiki obowiązujących dla przemiany adiabatycznej. Układ eksperymentalny konstruuje się w taki sposób, aby energia promieniowania laserowego posłużyła do wytworzenia fali uderzeniowej o wysokiej amplitudzie i jednocześnie by fala cieplna nie wniknęła w głąb obrabianej warstwy. Wymaganie to może być trudne do spełnienia, gdyż materiał absorbujący promieniowanie laserowe, przechodząc w stan plazmy, nagrzewa się do temperatury rzędu 10 4 10 5 K. Aby zapobiec ogrzewaniu, obrabianą powierzchnię pokrywa się specjalną warstwą o działaniu ochronno-ablacyjno-absorpcyjnym. Warstwę absorpcyjną stanowi najczęściej czarna farba (sucha lub mokra) o grubości od 5 do 100 μm. Na warstwie absorpcyjnej umieszcza się jeszcze jedną warstwę inercyjną (z materiału przezroczystego dla promieniowania laserowego, jak woda, szkło lub kwarc, o grubości nie przekraczającej kilku milimetrów), która ma zapobiegać szybkiej ekspansji plazmy w powietrze o ciśnieniu atmosferycznym. Plazma powstaje wówczas w małej objętości ograniczonej z jednej strony warstwą inercyjną, z drugiej ochronną, dlatego jej ciśnienie może osiągnąć wysoką wartość, znacznie wyższą niż bez warstwy inercyjnej. Wydłuża się jednocześnie czas trwania plazmy. Taka trójwarstwowa konfiguracja warstwa inercyjna-warstwa absorpcyjna-metal (rys. 1) jest powszechnie stosowana w metodzie laserowego umacniania udarowego, gdyż pozwala wytworzyć szczątkowe naprężenia ściskające o wysokiej amplitudzie w warstwie obrabianej próbki o grubości 1 mm i więcej. W tej konfiguracji iloczyn amplitudy ciśnienia i czasu trwania plazmy może mieć wartość nawet sto razy większą niż przy obróbce bez warstw [2 4, 6, 15]. Fala uderzeniowa wytworzona przez impuls promieniowania laserowego wywołuje odkształcenia plastyczne w metalu. Po przejściu fali ośrodek, dążąc do przywrócenia stanu równowagi, wytwarza w odkształconej plastycznie strefie stan trwałych naprężeń ściskających, a w jej otoczeniu naprężeń rozciągających. Fala uderzeniowa traci energię podczas propagacji, przede wszystkim na dokonanie odkształcenia plastycznego. Powoduje to tłumienie jej amplitudy. Po przebyciu kilku milimetrów amplituda fali spada do tak małej wartości, że odkształcenie plastyczne już nie zachodzi. Pomiar ciśnienia fali uderzeniowej należy więc wykonywać przy zastosowaniu cienkich próbek, cieńszych niż w rzeczywistych eksperymentach LSP. Konieczność modyfikacji eksperymentu laserowego umacniania udarowego związana z pomiarem (rys. 1) powoduje zakłócenie fali uderzeniowej. Fala uderzeniowa, padając na granicę kontaktu 228 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII

Rys. 1. Schematy laserowego umacniania udarowego: a) układ do obróbki grubych próbek bez pomiaru ciśnienia, b) układ z cienką próbką i jednoczesną rejestracją profilu ciśnienia fali uderzeniowej. 1 wiązka laserowa, 2 warstwa inercyjna przezroczysta dla promieniowania laserowego (kwarc, szkło lub woda), 3 warstwa absorpcyjna (czarna farba), 4 obrabiana próbka, 5 czujnik PVDF, 6 podłoże (płytka z teflonu, PVDF lub Al), 7 front padającej fali uderzeniowej, 8 front fali uderzeniowej odbitej na granicy próbka-czujnik Fig. 1. Schemes of laser shock processing: a) setup for processing of thick samples without pressure measurement, b) setup with thin sample and simultaneous shockwave pressure measurement. 1 laser beam, 2 inertial layer transparent for incident laser radiation (quartz, glass or water), 3 absorbing layer (black paint, wet or dry), 4 processed sample, 5 PVDF pressure gauge, 6 substrate (Teflon, PVDF or aluminum), 7 front of incident shockwave, 8 front shockwave reflected at sample-gauge interface próbka-czujnik, ulega podziałowi na falę odbitą i falę przechodzącą. W przypadku słabych fal uderzeniowych można zastosować przybliżenie liniowe, wówczas podział energii między falę odbitą i przechodzącą zależy od wartości ilorazu impedancji akustycznych stykających się ośrodków, a współczynniki transformacji wyrażają się wzorami [18]: 2A P = A R A 1 ; = ; 1 + A + 1 ρ c A = ρ c gdzie: A iloraz impedancji akustycznych, P względna amplituda fali przechodzącej z ośrodka 1 do ośrodka 2, R względna amplituda fali odbitej od granicy ośrodków, ρ gęstość materiału, c prędkość dźwięku w materiale. Ze wzoru (1) wynika, że w czujniku PVDF (mała impedancja ρ 2 = 1,8 g/cm 3, c 2 = 2200 m/s) stykającym się na przykład z brązem (duża impedancja ρ 1 = 8,5 g/cm 3, c 1 = 4500 m/s) amplituda fali uderzeniowej będzie o rząd mniejsza niż w warstwie brązu. Jednak w układzie pomiarowym występują wielokrotne odbicia, co prowadzi do interferencji fal, a to znacznie komplikuje fizykę zjawiska. Ponadto amplituda fali uderzeniowej nie powinna przekraczać kilku GPa, gdyż fale o większej amplitudzie mogłyby powodować niszczenie obrabianych próbek metali. Fala o amplitudzie do 10 GPa w każdym metalu może być uważana za falę słabą, gdyż moduł sprężystości przyjmuje w tym przypadku wartości w granicach 100 200 GPa. Jednak w przypadku polimeru PVDF jest to już silna fala, gdyż jego moduł sprężystości ma wartość zaledwie 8 GPa. Z tych powodów rzeczywistą wartość amplitudy fali uderzeniowej w czujniku PVDF i jej związek z wartością ciśnienia w badanej próbce trzeba obliczać numerycznie. Do modelowania propagacji fal uderzeniowych w rozważanych układach pomiarowych zastosowano jednowymiarowy kod hydrodynamiczny opracowany we własnym zakresie (szerzej opisany w pracach [19, 20]). 2 2 1 1 (1) PORÓWNANIE WYNIKÓW OBLICZEŃ I POMIARÓW Wykonano liczne pomiary fal uderzeniowych wzbudzanych przez impulsowe promieniowanie laserowe. Prawidłowość niektórych pomiarów można było łatwo zweryfikować, jednak część wyników budziła wątpliwości, gdyż trudno było wyjaśnić pochodzenie kształtu profilu ciśnienia fali uderzeniowej czy rozrzut amplitud. Ponadto pojawił się także problem interpretacji wyników. Czujnik wskazuje ciśnienie, jakie występuje w jego wnętrzu. Zatem pojawia się pytanie: jakie ciśnienie występowało w ośrodkach graniczących z czujnikiem? Właśnie amplituda fali w ośrodkach sąsiednich jest najbardziej interesująca, gdyż ona decyduje o wynikach obróbki laserowej. Dla wyjaśnienia tych kwestii przeprowadzono modelowanie komputerowe. Spośród wielu pomiarów zaprezentowane zostaną wybrane przykłady. Dla niektórych z tych przypadków przeprowadzono modelowanie komputerowe. Brak części danych dotyczących właściwości optycznych, termodynamicznych i mechanicznych rozważanych materiałów spowodował, że obliczenia powtarzano wielokrotnie, dopasowując przede wszystkim grubość i wartość współczynnika absorpcji warstwy absorpcyjnej oraz niekiedy moduły Younga i gęstość innych ośrodków w taki sposób, aby w obliczeniach odtworzyć wyniki pomiarów. Zadane do obliczeń wartości modułów Younga oraz gęstości niewiele różniły się od danych rzeczywistych. Grubości poszczególnych warstw (z wyjątkiem absorpcyjnej) były znane. Podłoże i warstwa inercyjna miały dużą grubość, dzięki czemu nie dochodziło w nich do cyrkulacji fal. Zmieniano też grubość warstwy czujnika (w zakresie od 75 do 80 μm), co miało na celu uwzględnienie obecności filmu olejowego przyklejającego czujnik do sąsiednich ośrodków. Z obliczeń wynikło, że film olejowy mógł mieć grubość najwyżej 5 μm. W obliczeniach gęstość energii promieniowania zaabsorbowanego przez próbkę dobierano w zakresie od 1 do 3 J/cm 2, tak by otrzymać fale o takiej samej amplitudzie jak w eksperymencie. Najważniejszym parametrem, decydującym o podobieństwie wyników obliczeń do wyników pomiarów, był krok siatki numerycznej, który musiał być dostatecznie mały. Szczególne trudności wprowadzała granica czujnik-podłoże. Czujnik miał grubość zaledwie 75 μm, a podłoże co najmniej 4 mm (50 razy więcej). Poprawne modelowanie odbicia i wnikania fali uderzeniowej na tej granicy było możliwe tylko wtedy, gdy w obydwu warstwach krok przestrzenny miał zbliżoną wartość. W pierwszym przypadku nie zastosowano warstwy inercyjnej, a promieniowanie laserowe padało bezpośrednio na warstwę absorpcyjną, którą stanowiła czarna sucha farba, naniesiona na płytkę z brązu o grubości 0,3 mm. Pod płytką umieszczono czujnik PVDF o grubości 75 μm pokryty cienką warstwą oleju mineralnego o nieznanej grubości (z obliczeń wynikło, że mogła ona mieć grubość co najwyżej kilka mikrometrów). Obrabiane próbki były umieszczone na podłożu, czyli płytce aluminiowej o grubości około 10 mm. Stosowano impuls laserowy o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm. Gęstość mocy promieniowania na powierzchni próbki była rzędu 100 MW/cm 2. W tym przypadku stosunkowo łatwo uzyskano podobieństwo wyników obliczeń do wyników pomiarów. W trakcie obliczeń stwierdzono, że grubość warstwy absorpcyjnej ma niezbyt wielki wpływ na profil ciśnienia fali uderzeniowej działającej na czujnik. Wyniki modelowania numerycznego przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Profil ciśnienia fali uderzeniowej ma bardzo skomplikowany kształt. Jest to skutek konfiguracji układu eksperymentalnego. Fala uderzeniowa propaguje się przez układ wielowarstwowy. Każda z warstw ma inną prędkość dźwięku i gęstość. Na granicy każdej warstwy fala padająca ulega podziałowi na falę odbitą i przechodzącą. Podział energii fali padającej między falę przechodzącą i odbitą zależy od ilorazu impedancji akustycznych stykających się NR 3/2011 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 229

ośrodków (impedancja akustyczna jest to iloczyn gęstości ośrodka i prędkości dźwięku). Wskutek wielokrotnych podziałów powstaje skomplikowany kształt widoczny na rysunku 2. W prezentowanym przypadku wyższe piki są generowane przez falę uderzeniową cyrkulującą we wnętrzu płytki z brązu, zaś niższe piki przez falę cyrkulującą w warstwie czujnika. Stosunkowo niezłą zgodność obserwuje się w zakresie czasów 0 600 ns. Później zgodność jest gorsza, co może Rys. 2. Porównanie eksperymentalnego (linia ciągła) i obliczonego (linia impuls promieniowania laserowego o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm, w konfiguracji farba-brąz (0,3 mm)- -PVDF-podłoże Al Fig. 2. Comparison of experimental (solid line) and calculated (dashed line) profile of shockwave pressure induced by laser pulse with energy 60 mj, duration 4 ns and wavelength 1064 nm, in configuration blackpaint-bronze (0.3 mm)-pvdf-al substrate być skutkiem efektów dwuwymiarowych (np. powierzchniowe fale Rayleigha, czy odbicie fal od płytek mocujących). Amplituda fali rejestrowanej przez czujnik nie przekracza 15 MPa, natomiast w warstwie brązu amplituda ta jest o rząd większa (rys. 3). Z rysunku 3 można wnioskować, że większość energii fali uderzeniowej nie opuszcza warstwy brązu. Efektywność przekazu energii fali uderzeniowej z warstwy brązu do warstw sąsiednich jest niewielka. Dlatego fala uderzeniowa cyrkuluje głównie we wnętrzu płytki z brązu i powoli traci energię do warstw sąsiednich. W drugim przypadku zmodyfikowano konfigurację eksperymentu przez dodanie warstwy inercyjnej w postaci słupa wody o grubości kilku milimetrów. Stosowano impuls laserowy o energii około 140 mj, czasie trwania 15 ns i długości fali 532 nm. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Na rysunku 4 obserwuje się dość dobrą zgodność wyników obliczeń i pomiarów tylko do czasów 400 ns. Potem pojawia się rozbieżność obydwu krzywych. Nie udało się uzyskać lepszej zgodności. Może to być skutek efektów dwuwymiarowych, siłą rzeczy nieuwzględnionych w programie jednowymiarowym przestrzennie. Na rysunku 5 przedstawiono porównanie ciśnień w środkach warstwy brązu i czujnika. Również i w tym przypadku iloraz amplitud fal zależy od stosunku impedancji akustycznych sąsiadujących ośrodków. Iloraz amplitud fal uderzeniowych w warstwie brązu i czujnika przybiera wartości w zakresie od 2 do 3 (rys. 5), a więc znacznie mniej niż w poprzednim przypadku. W kolejnym przypadku jako podłoże zastosowano warstwę handlowego polimeru PVDF, dzięki czemu znacznie zmniejszono odbicie fal na granicy czujnik-podłoże, a to spowodowało znaczne uproszczenie kształtu profilu ciśnienia fali uderzeniowej rejestrowanej przez czujnik. Nie stosowano warstwy inercyjnej. Obrabianym materiałem była płytka aluminiowa o grubości 1 mm. Zarejestrowano niezdeformowany przez odbicia profil ciśnienia fali uderzeniowej wzbudzonej w płytce aluminiowej przez impuls laserowy. Stosowano impuls laserowy o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm. Rys. 3. Porównanie obliczonych wartości ciśnienia w środku warstwy brązu (linia przerywana) i w środku warstwy czujnika (linia ciągła). Impuls promieniowania laserowego o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm, w układzie o konfiguracji farba- -brąz (0,3 mm)-pvdf-podłoże Al Fig. 3. Comparison of calculated pressure profiles in the centre of bronze layer (dashed line) and in the centre of gauge layer (solid line) induced by laser pulse with energy 60 mj, duration 4 ns and wavelength 1064 nm, in configuration blackpaint-bronze (0.3 mm)-pvdf-al substrate Rys. 4. Porównanie eksperymentalnego (linia ciągła) i obliczonego (linia impuls promieniowania laserowego o energii około 140 mj, czasie trwania 15 ns i długości fali 532 nm, w układzie o konfiguracji woda- -farba-brąz (0,3 mm)-pvdf-podłoże Al Fig. 4. Comparison of experimental (solid line) and calculated (dashed line) profiles of shockwave pressure induced by laser pulse with energy 140 mj, duration 15 ns and wavelength 532 nm, in configuration water- -black paint-bronze (0.3 mm)-pvdf-al substrate 230 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII

Rys. 5. Porównanie wartości ciśnienia w środku warstwy brązu (linia przerywana) i w środku warstwy czujnika (linia ciągła). Impuls promieniowania laserowego o energii około 140 mj, czasie trwania 15 ns i długości fali 532 nm, w układzie o konfiguracji woda-farba-brąz (0,3 mm)-pvdf-podłoże Al Fig. 5. Comparison of calculated pressure profiles in the centre of bronze layer (dashed line) and in the centre of gauge layer (solid line) induced by laser pulse with energy 140 mj, duration 15 ns and wavelength 532 nm, in configuration water-black paint-bronze (0.3 mm)-pvdf-al substrate Rys. 6. Porównanie eksperymentalnego (linia ciągła) i obliczonego (linia impuls promieniowania laserowego o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm, w układzie o konfiguracji farba-al (1 mm)-pvdf-podłoże PVDF Fig. 6. Comparison of experimental (solid line) and calculated (dashed line) profile of shockwave pressure induced by laser pulse with energy 60 mj, duration 4 ns and wavelength 1064 nm, in configuration blackpaint-al (1 mm)-pvdf-pvdf substrate Podczas obróbki laserowej rzeczywistych próbek geometria eksperymentu jest prostsza, przede wszystkim nie występuje w niej czujnik ani podłoże. Zmniejsza się liczba powierzchni odbijających fale uderzeniowe, a kształt profilu ciśnienia ulega znacznemu uproszczeniu. Handlowy polimer PVDF (przynajmniej w założeniu) miał wyeliminować odbicie na granicy czujnik-podłoże. Okazało się, że ma on jednak nieco inne właściwości niż polimer użyty do wyrobu czujnika i odbicia występują, chociaż nie tak silne, jak przy podłożu aluminiowym. Na rysukach 6 i 7 przedstawiono wyniki pomiarów i obliczeń dla tego przypadku. Maksymalna amplituda ciśnienia fali uderzeniowej we wnętrzu czujnika przyjmuje wartość około 24 MPa (rys. 6), natomiast we wnętrzu płytki aluminiowej około 180 MPa (rys. 7), a więc o rząd więcej. W tym przypadku na początku obserwuje się stosunkowo dobrą zgodność wyników obliczeń i pomiarów (rys. 6), która stopniowo pogarsza się, co jest skutkiem dyfuzji numerycznej, charakterystycznej dla stosowanego programu komputerowego. Dyfuzja numeryczna najsilniej ingerowała w tym przypadku, gdy impuls ciśnienia był stosunkowo krótki i wysoki. Amplituda fali uderzeniowej we wnętrzu płytki aluminiowej również w tym przypadku była o rząd większa niż we wnętrzu czujnika PVDF (rys. 7). W ostatnim przypadku (rys. 8) mierzono ciśnienie w konfiguracji, w której rolę warstwy inercyjnej pełniła płytka kwarcowa, a więc materiał o impedancji akustycznej znacznie większej niż woda. Ponadto do wzbudzania fali zastosowano impuls lasera Renova o energii 600 mj i czasie trwania 15 ns. Laser Renova jest wykorzystywany do czyszczenia różnych obiektów [20]. Zwraca uwagę bardzo duża amplituda zarejestrowanej fali uderzeniowej, osiągająca 200 MPa, co może oznaczać, że w obrabianej warstwie metalu amplituda fali uderzeniowej dochodziła do 2 GPa, a więc mogła przekroczyć nie tylko próg odkształcenia plastycznego, ale i próg zniszczenia. Rys. 7. Porównanie wartości ciśnienia w środku warstwy aluminium (linia przerywana) i w środku warstwy czujnika (linia ciągła). Impuls promieniowania laserowego o energii około 60 mj, czasie trwania 4 ns i długości fali 1064 nm, w układzie o konfiguracji farba-al (1 mm)- -PVDF-podłoże PVDF Fig. 7. Comparison of calculated pressure profiles in the centre of aluminum layer (dashed line) and in the centre of gauge layer (solid line) induced by laser pulse with energy 60 mj, duration 4 ns and wavelength 1064 nm, in configuration black paint-al (1 mm)-pvdf-pvdfsubstrate PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzono komputerowe modelowanie oddziaływania promieniowania laserowego z materią w warunkach odpowiadających eksperymentom laserowego umacniania udarowego. Celem prowadzonych obliczeń było wyjaśnienie związku między ciśnieniem zmierzonym przez czujnik, a ciśnieniem fali występującej we wnętrzu obrabianych materiałów. Amplituda fali we wnętrzu czujnika jest najczęściej znacznie mniejsza niż we wnętrzu NR 3/2011 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 231

obrabianych materiałów. Jest to przykład na to, że pomiar może wpływać na charakterystyki mierzonego sygnału. W rzeczywistych eksperymentach laserowego umacniania udarowego konfiguracja eksperymentu jest znacznie prostsza. Obrabiana próbka jest zwykle znacznie grubsza (co najmniej kilka milimetrów), a w układzie nie występuje czujnik ani podłoże. Czujnik i podłoże silnie zmieniają kształt profilu ciśnienia fali uderzeniowej. Poprawna interpretacja uzyskanych wyników wymaga przeprowadzenia modelowania numerycznego w celu obliczenia rzeczywistej wartości amplitud fal w obrabianej próbce. Uzyskane wyniki umożliwiają rozpoczęcie pracy dotyczącej opracowania podstaw technologii laserowego umacniania udarowego. Optymalizacja tej obróbki musi uwzględniać wiele parametrów jednocześnie, takich jak właściwości optyczne, mechaniczne i termodynamiczne warstwy inercyjnej i absorpcyjnej, będzie więc kosztowna, pracochłonna i długotrwała. Przeprowadzone rozważania pozwalają sformułować następujące wnioski: 1. Amplituda fali uderzeniowej we wnętrzu czujnika PVDF stykającego się z badaną próbką metalową jest zazwyczaj znacznie niższa niż we wnętrzu próbki. 2. Poprawna analiza pomiarów ciśnienia fal uderzeniowych za pomocą czujników PVDF musi uwzględniać zmiany wartości ciśnienia zachodzące podczas przechodzenia fal przez granice ośrodków o różnych impedancjach akustycznych. 3. Czujnik ciśnienia wytwarza sygnał zależny od ciśnienia fali uderzeniowej występującej we wnętrzu czujnika. 4. Metodą modelowania numerycznego zweryfikowano poprawność pomiarów profilu ciśnienia fal uderzeniowych wzbudzanych przez impulsowe promieniowanie laserowe. 5. Uzyskane wyniki umożliwiają rozpoczęcie pracy dotyczącej optymalizacji eksperymentu laserowego umacniania udarowego (dobór właściwości optycznych, mechanicznych i termodynamicznych poszczególnych materiałów w celu zwiększenia odporności zmęczeniowej wybranych materiałów). 6. W eksperymentach laserowego czyszczenia na mokro można łatwo przekroczyć próg zniszczenia czyszczonego obiektu. literatura [1] Ready J. F. (ed): LIA Handbook of laser materials processing. Laser Institute of America (2001). [2] Ding K., Ye L.: Laser shock processing performance and process simulation. Woodhead Publishing Limited, Cambridge (2006). [3] Montross C. S., Wei T., Ye L., Clark G., Mai Y-W.: Laser shock processing and its effect on microstructure and properties of metal alloys: a review. International Journal of Fatigue 24 (2002) 1021 1036. [4] Hammersley G., Hackel L. A., Harris F.: Surface prestressing to improve fatigue strength of components by laser shot peening. Optics and Lasers in Engineering 34 (2000) 327 337. [5] Napadłek W., Sarzyński A.: Wpływ umacniania laserowego na topografię warstwy wierzchniej stopu tytanu Ti-6Al-2Cr-2Mo. Inżynieria Materiałowa 3-4 (157-158) (2007) 707 711. [6] Xin Hong, Shengbo Wang, Dahao Guo, Hongxing Wu, Jie Wang, Yusheng Dai, Xiaoping Xia, Yanning Xie: Confining medium and absorptive overlay: their effects on a laser-induced shock wave. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998) 447 455. [7] Couturier S., de Rességuier T., Hallouin M., Romain J. P., Bauer F.: Shock profile induced by short laser pulses. J. Appl. Phys. 79 (12) (1996) 9338 9342. Rys. 8. Ciśnienie fali uderzeniowej wzbudzonej przez impuls laserowy o energii 600 mj i czasie trwania 15 ns (laser Renova5). Rolę warstwy inercyjnej pełniła płytka kwarcowa Fig. 8 Pressure of shockwave induced by pulsed radiation with energy 600 mj, duration 15 ns (ReNOVALaser 5). Quartz plate was used as an inertial layer [8] www.ktech.com/research_development/applied_physics/the piezoelectric properties of PVDF.pdf [9] Bauer F.: Properties of ferroelectric polymers under high pressure and shock loading. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 105 (1995) 212 216. [10] Bauer F.: PVDF shock sensors: Applications to polar materials and high explosives. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 47 (6) (2000) 1448 1454. [11] Bauer F.: Ferroelectric polymers for high pressure and shock compression sensors. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Materials Research Society 698 (2002) EE2.3.1 12. [12] Borisenok V. A., Simakov V. G., Volgin V. A., Bel skii V. M., Zhernokletov M. V.: Investigation of phase transformations in iron and cerium using a polyvinylidene fluoride pressure gauge. Combustion, Explosion, and Shock Waves 43 (4) (2007) 476 481. [13] Borisenok V. A., Simakov V. G., Bragunets V. A., Kuropatkin V. G., Kruchinin V. A., Romaev V. N.: Polyvinylidene fluoride dynamic pressure gauge: Physical model and experimental results. Combustion, Explosion, and Shock Waves 39 (5) (2003) 585 590. [14] Sarzyński A.: Pomiar ciśnienia fali uderzeniowej za pomocą polimerowego czujnika piezoelektrycznego. Pomiary, Automatyka, Kontrola 54 (9) (2008) 627 630. [15] Sarzyński A.: Zastosowanie piezoelektrycznych czujników PVDF do rejestracji czasowego profilu ciśnienia fal uderzeniowych. Biuletyn WAT, LVII 2 (2008) 153 163. [16] Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT, wyd. 5, Warszawa (1996). [17] Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В.: Действие излучения большой мощности на металлы. Наука, Москва (1970). [18] Kolsky H.: Stress waves in solids. (tłum. ros.), Г. Кольский: Волны напражений в твердых телах. Издателъство Иностранной Литературы, Москва (1955). [19] Jach K., Morka A., Mroczkowski M., Panowicz R., Sarzyński A., Stępniewski W., Świerczyński R., Tyl J.: Komputerowe modelowanie dynamicznych oddziaływań ciał metodą punktów swobodnych. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa (2000). [20] Marczak J.: Analiza i usuwanie nawarstwień obcych z różnych materiałów metodą ablacji laserowej. Wydawnictwo Bel Studio, Warszawa (2004). 232 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII